Устройство для снижения вибраций объекта с открытыми полостями в потоке жидкости или газа Советский патент 1992 года по МПК G10K11/16 

Изобретение относится к гидродинамике и виброакустике и может быть использовано для уменьшения вибраций, возникающих при воздействии обтекающего корпус морского объекта потока на замкнутые полости внутри корпуса объекта, связанные через пбстоянно открытые отверстия с забортной средой.

Аналогами данного изобретения являются работы, посвященные возникновению вибраций и звуковых колебаний при обтекании полости с. отверстием в безграничной непроницаемой перегородке потоком жидкости или газа. Ввиду сложности физического механизма явления, полная и достаточно точная физико-математическая модель процесса в настоящее время не создана. Однако, можно считать доказанным, что

причиной интенсивных вибраций являются автоколебания, возникающие в полости под воздействием вихрей, образующихся на передней кромке отверстия. Автоколебания возникают, когда акустические колебания в полости начинают управлять срывом вихрей на отверстии, при этом движение вихрей регуляризуется и сосредоточенная в них энергия увеличивается. Это приводит к появлению мощного источника колебаний по- рожд ающего вибрации корпуса, т.к. существенная часть энергии, сосредоточенной в вихрях, передается в вибрации корпуса при взаимодействии их с задней кромкой отверстия.

Нафиг.1 представлена гидродинамическая картина обтекания полости с отверстием. Позиция 1 обозначает профили средней скорости в различных сечениях вдоль по

V|

09

3

О

потоку, позиция 2 - вихри, образующиеся на отверстии.

Характерная частота срыва вихрей при отсутствии автоколебаний определяется формулой Струхаля срыва вихрей на отверстии, причем, как правило, проявляются несколько гармоник. При возникновении автоколебаний зависимость частоты срыва вихрей от скорости потока изменяется -увеличение частоты с ростом скорости заметно замедляется.

Возникновение автоколебаний становится возможным в случае близости частоты Струхаля срыва вихрей и собственной частоты колебательной системы.

Это условие реализуется в небольшом диапазоне скоростей вблизи скорости, при которой частота Струхаля и частота колебательной системы совпадают.

Поскольку морские объекты эксплуатируются с разными скоростями, а в их корпусах, как правило, имеется множество полостей, связанных с забортной средой, имеется большая вероятность возникновения условий для возбуждения интенсивных автоколебаний и ухудшения эксплуатационных характеристик обьектов. Поэтому при создании морских объектов с высокими эксплуатационными характеристиками необходимо учитывать опасность возникновения автоколебаний в полостях, связанных с забортной средой, и использовать способы, позволяющие ее избежать. Данное изобретение и представляет собой один из таких способов.

Технических решений, в которых реализовано уменьшение автоколебаний, немного.

В известном техническом решении, принятом за прототип предлагается уменьшать интенсивность автоколебаний с помощью специальной накладки на отверстие, которая позволяет вынести переднюю кромку отверстия на некоторое расстояние от корпуса. Эго дает возможность, во-первых, уменьшить скорость, на которой возникают автоколебания, так как передняя кромка отверстия находится в более скоростной части потока, а во-вторых, уменьшить степень взаимодействия вихрей с задней кромкой отверстия, вследствие разнесения его передней и задней кромки поперек потока.

Эффективность данного способа была проверена с помощью гидродинамической трубы на модели кингстонной коробки. Экспериментальная установка схематично изображена на фиг.2, поз.3-7, поз.З - стенка рабочего участка гидродинамической трубы, поз.4 - модель кингстонной коробки,

поз.5 - полость внутри кингстонной коробки, поз.6 - отверстие, связывающее полость и набегающий поток, поз.7 - накладка на отверстии, (изображена накладка, соответствующая фиг.2, поз.10). Накладки, используемые в прототипе, изображены на фиг.2., поз.8-10. Поз 8 - накладка с разнесением передней и задней кромок отверстия поперек потока и с закрытием части площади

отверстия, поз.9 - накладка с разнесением передней и задней кромок отверстия поперек потока и без закрытия части площади отверстия, поз. 10 накладка без разнесения передней и задней кромок отверстия и

без закрытия части площади отверстия, используемая в качестве эталонной накладки. Интенсивность автоколебаний измерялась с помощью датчика турбулентных пульсаций давления, установленного около

задней кромки отверстия.

Автоколебательный процесс был получен на частоте примерно 35 Гц. Максимальная интенсивность колебаний достигалась при скорости потока б м/с.

Получено, что применение накладки без перекрытия части площади отверстия (поз.9) дает уменьшение интенсивности автоколебаний на 10 дб, а накладки с перекрытием площади отверстия (поз.8) - 28 дб.

Устройство, предложенное в прототипе имеет два существенных недостатка. Во- первых, для значительного снижения интен- сивности автоколебаний необходимо закрыть 2/3 площади отверстия и, следовательно, требуется принятие дополнительных мер для обеспечения прежнего расхода воды, что или повысит интенсивность автоколебаний, или потребует дополнительного оборудования. Во-вторых, создаются дополнительные выступы иа корпусе судна, изменяющие структуру и характеристики пограничного слоя, что приводит к нежелательному увеличению сопротивления движению и повышению мощности турбулентных

пульсаций давления за отверстием.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности снижения интенсивности вибраций, возникающих в результате автоколебаний при обтекании открытой полости, путем применения накладки на отверстие более совершенной конструкции.

Эта цель достигается тем, что для 5 уменьшения интенсивности автоколебаний накладка выполнена в виде системы параллельных щелей двух различных, чередующихся длин, ориентированных вдоль по потоку и с разнесенными вдоль по потоку кромками, причем отношение длины кзждои щели к ее ширине не должно быть меньше строго определенного значения (30:1).

На фиг.1 изображена динамическая картина обтекания отверстия в безграничной стенке с полостью за ним; на фиг.2 - устройство, выбранное за прототип; на фиг.З - то же, по изобретению; на фиг.4 - устройство, близкое по конструкции к патентуемому, эффективность которого была изучена экспериментально; на фиг.5 - гра- фик зависимости интенсивности автоколебаний от скорости набегающего потока для конструкции, изображенной на фиг.4, и отверстия размером 140x140 мм .

Примером конкретного выполнения ус- тройства, предложенного в изобретении, служит конструкция, изображенная на фиг.З. Здесь поз.1 - щели, поз.2 - передние кромки, поз.З - задние кромки, поз.4 - изображение отверстия открытой полости.

Пример. Была измерена зависимость интенсивности автоколебаний от скорости потока для отверстия размером 140x140 мм2 и устройства, изображенного на фиг.4, соответственно поз.5 и 6 на фиг.5. Интен- сивность автоколебаний измерялась преобразователем турбулентных пульсаций давления, расположенным вблизи задней кромки отверстия. Из приведенных зависимостей видно, что максимальная интенсив- ность автоколебаний на исследуемом устройстве ниже максимальной интенсивности автоколебаний на едином отверстии на 30 дБ, то есть эффективность исследуемого устройства составляет примерно 30 дБ. Его конструкция отличается от конструкции патентуемого устройства только неразнесением передних кромок щелей вдоль по потоку. Это, как известно из свойств автоколебаний, приведет к еще большему сниже-

510 1520

25 303540

0

нию интенсивности автоколебаний у патентуемого устройства относительно исследованного. Следовательно можно утверждать, что эффективность патентуемого устройства составляет более 30 дБ. Это на 2-20 дБ больше, чем в устройстве, выбранном за прототип.

Таким образом, предлагаемое в изобретении устройство, позволяет, во-первых, отказаться от создания конструкций, выступающих в движущийся поток, во-вторых, сохранить площадь проходного сечения отверстия неизменной и, в-третьих, повысить эффективность действия устройства на 2-20 дБ.

Формула изобретения Устройство для снижения вибраций объекта с открытыми полостями в потоке жидкости или газа, содержащее накладку, установленную на отверстие каждой открытой полости, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности, накладка выполнена в виде ряда параллельных разделенных перегородками щелей с различной чередующейся длиной, ориентированных вдоль потока, при этом суммарная площадь щелей составляет не менее площади отверстия открытой полости, а расстояние между щелями не менее 2,5 ширин отдельной щели, отношение длин соседних щелей равно 3 : 2, а отношение длины каждой щели к ее ширине не менее 30 ; 1, причем кромки соседних, одинаковых по длине щелей разнесены вдоль потока не менее, чем на 0,1 длины соответствующей щели, а кромки соседних, различных по длине щелей не менее, чем на 0,1 длины большей щели по передним кромкам, и не менее, чем на 0,23 длины большей щели по задним кромкам.

/

Использование: гидродинамика и виброакустика. Сущность изобретения: устройство для снижения вибраций объекта с открытыми полостями в потоке жидкости или газа содержит накладку, установленную на отверстие каждой открытой полости. Накладка выполнена в виде ряда параллельных разделенных перегородками щелей с различной чередующейся длиной, ориентированных вдоль потока. Суммарная площадь щелей составляет не менее площади отверстия открытой полости, а расстояние между щелями не менее 2,5 ширин отдельной щели, отношение длин соседних щелей равно 3:2, а отношение длины каждой щели к ее ширине не менее 30:1. Кромки соседних, одинаковых подлине щелей разнесены вдоль потока не менее чем на 0,1 длины соответствующей щели а кромки соседйих, различных по длине щелей не менее, чем на 0,1 длины большей щели по передним кромкам и не менее, чем на 0,23 длины большей щели по задним кромкам. 5 ил. & Ј

фс/г.1

/

XL -X.Z7

го Ј5

Фиг.

Составитель Б.Григорьев

Техред М.МоргенталКорректор Н.Бучок

Редактор

Заказ 4276ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

so

sf Ј -у„Ј